並聯多晶體雷射自動耦光構裝平台之設計開發

關鍵詞(Keywords) 

泵激雷射、自動耦光、光纖輸出

Pump Laser, Automatic Coupling, Fiber Output

摘要(Abstract)

既有光纖雷射耦光以人工為主且單顆幫浦晶體輸出之能量不高，本研究提出一個新型並聯多晶體雷射自動耦光構裝平台，可應用於光纖雷射耦光作業之光學鏡組組裝。此構裝平台整合智慧光、機、電之核心技術，進行光纖自動耦光對位並建立最佳耦光路徑。藉由上視覺與側視覺輔助智慧精密定位設計與六軸史都華精密定位平台，此系統提供優化光學元件精密定位效率與精密固著構裝能力，可提升整體自動耦光製程良率。生產效率可達2個模組/小時。構裝平台之六軸史都華精密定位平台與耦光精密定位平台，經雷射干涉儀實測與驗證後分別符合平台對位精度0.3 μm及0.4 um。

Current fiber coupling technique is human-based and the energy output of single pump laser die is insufficient. This research proposes a novel auto-coupling assembly platform for parallel multiple semiconductor lasers to assemble optical mirrors on fiber coupled laser operation. The assembly platform integrates the core technologies of intelligent light, machinery, and electricity, to perform fiber auto-coupling alignment and reach optimized coupling path. Based on the upper and side charge-coupled devices (CCDs) assisted precision positioning and six-axis Stewart precision positioning platform, the system provides the optimized precision positioning efficiency for optical mirrors and strengthen the adhesion of the packaging process, thereby increasing the yield of the automatic coupling process. The production efficiency is up to 2 pcs/hour. Both the six-axis Stewart precision positioning platform and precise coupling alignment platform of the assembly platform have alignment accuracy 0.3 μm and 0.4 μm respectively based on the results of measurement and verification of laser interferometer.

前言

由於高速網路頻寬與快速傳輸之需求增加，光纖網路具有快速傳輸資訊及傳輸距離長特性成為可行的解決方案。然而光纖需要極佳的耦合效率以確保資訊傳輸的頻寬與品質，因此提高光纖耦合效率成為目前研究的重點之一。2001年Yoda等人[1]提出接合式光纖維透鏡，將單模光纖與漸變折射率光纖(graded-index fiber, GIF)熔接一起，之後再GIF端面研磨出一個圓柱狀的微透鏡，但其耦光效率只有30%。2003年Kim等人[2]提出紫外光點膠製程，先將單模光纖與一段無纖核光纖熔接在一起，再將液態紫外光固化膠沾在無纖核光纖端面上，經過紫外光照射固化後形成半球型微透鏡，但此法無法製作出多種曲率之微透鏡以達到最佳的耦合效果。2007年學者吳俊慶等人[3]提出一種高效率之光纖維透鏡製造方法，利用此方法可快速製造光纖維透鏡，並可改善傳統製造方法中之製程繁雜及成本昂貴之缺點。綜觀以上文獻雖以光纖耦合效率研究為主，但是皆屬於低功率光纖耦合技術。

目前，臺灣自有雷射源產業興起，雷射廠商正處於由低功率光通訊技術轉型成高功率工業用雷射技術的關鍵時刻，急需獲得光纖雷射精密自動耦光技術。既有光纖雷射耦光以人工作業為主，且單一顆幫浦晶體輸出之能量不高。為求高功率輸出，須將多組幫浦晶體並聯後耦合入光纖，才能得到較大的雷射輸出功率，用以滿足百瓦級以上雷射需求。此過程需要調整多組幫浦晶體、透鏡組、反射鏡之相對位置，每個元件都有六軸維度需要調整並上膠固定，最後將各雷射光點加以疊合，以合光透鏡輸入光纖。由於每個元件在顯微鏡下，以人工調整六軸夾置平台進行作業，需耗費大量時間；並且倚賴作業員之手感、細心度與熟練度，產生組裝速度過慢與良率不穩定的問題。

本研究開發並聯多晶體雷射自動耦光構裝平台，利用上視覺與側視覺輔助晶體粗調定位，並以十五軸精密定位平台與耦光精密定位平台解決現有並聯多晶體雷射幫浦難以自動化耦光的問題。本研究所提出之構裝平台具有微米級之精密耦光對位、屬高功率光纖耦合平台且耦光效率高達70%以上之特點。

系統架構與製程方法

本研究所提的構裝平台如圖1所示，此主系統設備包含，平台對位模組、精密滑動平台模組、夾治具模組、尋光與耦光對位模組、點膠與紫外光固化模組，以及機構外罩與流場設計模組。

圖1  並聯多晶體雷射自動耦光構裝平台

1. 系統架構

就平台對位模組設計方面：包括上視覺與側視覺兩部分。上視覺包括手動前後左右旋轉(XYθ)平台、感光耦合元件(charge-coupled device, CCD)攝影機、鏡頭及燈罩。側視覺也包括XYθ平台、CCD攝影機、鏡頭及碗型燈罩。藉由上視覺對位與側視覺輔助高度補償，使系統進行鏡組耦光對位之粗調動作。燈罩部分採用同軸落射照明型，是專用於光澤平面的表面檢測。其中，側視覺採用之碗型燈罩乃利用碗型內反射光源取像，計算鏡組的上下邊界，並提供給主系統作為定位補償參考。

就精密滑動平台設計方面：本系統採用史都華平台(stewart platform)作為六軸構裝控制系統[4-6]，構裝系統透過高速乙太網路整合史都華平台控制器以及三組四軸伺服馬達控制器形成高速頻寬運動系統。全系統整合十五軸精密步進馬達構成快速移動與精密定位之移動平台系統，分別為史都華六軸精密平台、入料XYRZ四軸平台、光束分析儀對光XY兩軸平台、以及點膠固化XYZ三軸移動控制器等。其中，入料平台X、Y兩軸配有高精度光學尺，構成入料XY軸的絕對精密定位，大幅降低傳統馬達編碼器與導螺桿所構成之背隙定位誤差，提高入料平台的定位精度。

就夾治具模組設計方面：為夾持光學玻璃聚焦透鏡(lens)或反射鏡(mirror)，設計以氣動夾爪搭配空壓迴路之精密減壓閥與精密流量閥以控制氣動夾爪作動，使夾持聚焦透鏡或反射鏡夾料時不致毀損光學元件。氣動夾爪模組設計時需考慮當進行雷射光路耦光之時，夾持光學玻璃聚焦透鏡或反射鏡之夾具必須能避開雷射光路，以利耦光製程效率提昇。此外，藉由精微夾具撓性結構模擬數據與第一組夾具實測後再次修正氣壓致動夾具元件，如圖2(a)，降低夾持速度提升定位精度，經驗證後符合夾具定位精度0.2 μm。